劉 鵬 ，楊 剛 ，趙世偉 ，2，程炳文

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌712100；2.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西楊凌712100；3.寧夏農(nóng)林科學(xué)院固原分院，寧夏固原756000）

谷子（Setaria italica（L.）Beauv.）是起源于我國的古老農(nóng)作物，至今已有7 300多年的栽培歷史，具有抗旱耐瘠、適應(yīng)性強(qiáng)、生育期短、營養(yǎng)豐富、糧飼兼用等突出特征，是我國北方干旱半干旱地區(qū)重要的農(nóng)作物[1-3]。近年來，隨著氣候干旱加劇以及人們對(duì)谷子再認(rèn)識(shí)的逐步提高，我國谷子產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢(shì)頭良好，寧南地區(qū)谷子種植面積也呈增加趨勢(shì)[4-6]。然而，在谷子實(shí)際生產(chǎn)過程中，存在著種植品種繁雜、優(yōu)質(zhì)品種少、品種優(yōu)勢(shì)不明顯等問題，嚴(yán)重制約寧南山區(qū)谷子產(chǎn)業(yè)化發(fā)展[7]。農(nóng)作物品種的更新?lián)Q代是保障農(nóng)業(yè)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，其中，育種和引種是保障這一物質(zhì)基礎(chǔ)的主要途徑。不同品種在同一生態(tài)區(qū)的適應(yīng)性不同，各品種在農(nóng)藝性狀、生理特性及水分利用效率上差異明顯，如何進(jìn)行有效的評(píng)價(jià)和利用，首先要篩選出重要性狀并進(jìn)行重點(diǎn)研究。前人對(duì)于谷子主要農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量構(gòu)成要素進(jìn)行了大量的研究，方法主要包括方差分析、聚類分析、主成分分析、灰色關(guān)聯(lián)分析[8-12]。但對(duì)谷子耗水特征和水分利用效率的研究較少。

本試驗(yàn)綜合前人研究方法，對(duì)谷子農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量構(gòu)成要素及水分利用效率進(jìn)行相關(guān)分析，以期篩選出適宜寧南山區(qū)旱作栽培條件下的高產(chǎn)品種，并為寧南山區(qū)谷子優(yōu)良品種的引入和選育提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)區(qū)位于寧夏南部山區(qū)的固原市原州區(qū)河川鄉(xiāng)上黃村（106°45′E，36°02′N），海拔高度 1 590 m，屬于黃土高原寬谷梁狀丘陵區(qū)。年平均氣溫6.2℃，年平均日照時(shí)數(shù)2 518 h，年總輻射量5 342.4 MJ/m2，干燥度指數(shù)1.55，年平均降雨量300～500 mm，無霜期130～150 d。土壤以黃土母質(zhì)上發(fā)育的淡黑壚土和黃綿土為主，其中，全氮含量為0.62 g/kg，堿解氮含量為55 mg/kg，速效磷含量為8.8 mg/kg，速效鉀含量為143 mg/kg，有機(jī)質(zhì)含量為9.6 g/kg。

1.2 試驗(yàn)材料

參試的8個(gè)谷子品種選自5個(gè)育種單位提供的適合我國北方春播谷子區(qū)種植的谷子品種（表1）。

表1 谷子品種及來源

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選取8個(gè)谷子品種進(jìn)行品種篩選田間試驗(yàn)，其中以隴谷11號(hào)作為對(duì)照，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)8個(gè)處理，3次重復(fù)，試驗(yàn)小區(qū)面積20 m2（5 m×4 m），共24個(gè)小區(qū)。谷子常規(guī)播種，行距25 cm，株距8 cm，種植密度為45萬株/hm2。常規(guī)施肥（N 150 kg/hm2，P2O5120 kg/hm2，K2O 30 kg/hm2）；整個(gè)生育期依靠自然降水，全生育期降水量為320 mm，可以滿足谷子正常生長。試驗(yàn)從2017年5月開始，10月結(jié)束。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

播前測(cè)定耕層土壤養(yǎng)分、土壤容重、土壤含水率（0～100 cm）；收獲后按小區(qū)測(cè)定土壤含水率（0～100 cm）、土壤容重。并記錄作物全生育期內(nèi)的降水量。

試驗(yàn)成熟收獲前取考種樣10株進(jìn)行室內(nèi)考種，分別調(diào)查植株的株高、穗長、穗柄長、單穗粒質(zhì)量、單穗質(zhì)量、千粒質(zhì)量、地上生物量。試驗(yàn)成熟后按小區(qū)全部收獲脫粒，稱其實(shí)際產(chǎn)量（kg），并折合成公頃產(chǎn)量（kg/hm2）。谷子性狀調(diào)查均參照谷子農(nóng)藝性狀形態(tài)特征鑒定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[13]。

式中，D為土壤容重（g/cm3）；H為土層厚度（cm）；w為土壤含水量（%）；Wb為作物播種前土壤蓄水量（mm）；Wa為作物收獲時(shí)土壤蓄水量（mm）；P為作物整個(gè)生育期降雨量（mm）；Ya為單位面積的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量（kg/hm2）；ETa為作物整個(gè)生育期的耗水量（mm）。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Office Excel 2010和SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；采用Origin 2016軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同谷子品種的產(chǎn)量比較

從圖1可以看出，不同谷子品種的產(chǎn)量變幅為2 767～4 320 kg/hm2，且處理之間存在差異。8個(gè)谷子品種的產(chǎn)量從高到低排序?yàn)椋捍笸?9號(hào)＞汾選3號(hào)＞晉谷40號(hào)＞晉谷37號(hào)＞隴谷2129＞隴谷13號(hào)＞黃金谷＞隴谷11號(hào)（CK）。大同39號(hào)的產(chǎn)量最高，達(dá)到4 320 kg/hm2；隴谷11號(hào)（CK）產(chǎn)量最低，只有2 767 kg/hm2。對(duì)不同谷子品種與隴谷11號(hào)（CK）比較可以得出，各品種較對(duì)照產(chǎn)量都有所提高，其中，大同39號(hào)、汾選3號(hào)、晉谷40號(hào)較隴谷11號(hào)分別提高了56%，50%，40%，增產(chǎn)效果明顯。對(duì)產(chǎn)量進(jìn)行方差分析得出，大同39號(hào)、汾選3號(hào)、晉谷40號(hào)產(chǎn)量與隴谷11號(hào)間差異顯著（P＜0.05），隴谷13號(hào)、黃金谷與隴谷11號(hào)（CK）間產(chǎn)量差異不顯著（P＞0.05）。

2.2 不同谷子品種水分利用效率比較

從表2可以看出，根據(jù)對(duì)生育期前后土壤含水量的測(cè)定以及降水量的監(jiān)測(cè)，得出不同谷子品種全生育期耗水量在286～320 mm，其中，晉谷40號(hào)、汾選3號(hào)耗水量較高，全生育期耗水量分別達(dá)到320，315 mm；不同谷子品種水分利用效率在8.81～13.94kg/（mm·hm2），大同39號(hào)、汾選3號(hào)、晉谷37號(hào)水分利用效率較高，分別比隴谷11號(hào)（CK）高5.13，4.41，4.31 kg/（mm·hm2），而隴谷13號(hào)和黃金谷的水分利用效率相對(duì)較低，分別為10.13，10.16 kg/（mm·hm2）。方差分析結(jié)果表明，大同39號(hào)、晉谷37號(hào)、汾選3號(hào)與隴谷11號(hào)（CK）間差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。

表2 不同谷子品種水分利用效率比較

2.3 不同谷子品種農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量構(gòu)成要素比較

從表3以看出，不同品種谷子的株高變幅為105.8～151.7 cm；地上生物量變幅為19.07～43.67 g，其中，黃金谷、隴谷11號(hào)、隴谷2129的地上生物量較低，分別為 19.07，25.77，27.17 g，而晉谷 40 號(hào)、汾選3號(hào)、隴谷13號(hào)的地上生物量分別達(dá)到了43.67，35.67，33.20 g；不同谷子品種生育期變幅為140～150 d，其中，隴谷11號(hào)、隴谷13號(hào)、大同39號(hào)、黃金谷的生育期較短，都為140 d，而汾選3號(hào)、晉谷40號(hào)、隴谷2129號(hào)的生育期較長，都為150 d。晉谷40號(hào)、汾選3號(hào)、隴谷13號(hào)的地上生物量明顯高于其他品種，這說明它們具有良好的飼草價(jià)值。不同谷子品種的倒伏程度除黃金谷和晉谷37號(hào)較為嚴(yán)重外，其他品種倒伏程度較輕，甚至沒有倒伏情況。此外，不同谷子品種穗型為紡錘型和棍棒型，粒色表現(xiàn)出黃色和白色。

表3 不同品種谷子農(nóng)藝性狀比較

表4 不同品種谷子產(chǎn)量構(gòu)成要素比較

由表4可知，不同谷子品種穗長變幅為12.8～25.5 cm，黃金谷穗長最短，隴谷2129的穗長最長。不同品種谷子單穗質(zhì)量差異明顯，其中，晉谷40號(hào)、汾選3號(hào)、大同39號(hào)的單穗質(zhì)量優(yōu)于其他谷子品種，分別達(dá)到了 18.00，15.60，14.93 g，黃金谷、隴谷 2129單穗質(zhì)量低于對(duì)照，分別為9.17，11.40 g。不同谷子品種單穗粒質(zhì)量變幅為7.03～15.03 g，晉谷40號(hào)最高，黃金谷最低；各品種谷子千粒質(zhì)量在3.13～3.93 g，隴谷11號(hào)和晉谷37號(hào)的千粒質(zhì)量較高，而黃金谷和隴谷2129的千粒質(zhì)量較低。

2.4 不同谷子品種主要性狀的相關(guān)性分析

由表5可知，產(chǎn)量與單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量、生育期、地上生物量、千粒質(zhì)量、穗長存在正相關(guān)，其中，單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量、地上生物量、生育期達(dá)到顯著正相關(guān)水平；產(chǎn)量與株高、穗柄長存在負(fù)相關(guān)，但不顯著。這說明隨著單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量、地上生物量及生育期的增加，產(chǎn)量有增加趨勢(shì)，而隨著株高及穗柄長的增加，產(chǎn)量有減小的趨勢(shì)。

表5 不同品種谷子主要性狀相關(guān)系數(shù)

2.5 不同谷子品種數(shù)量性狀主成分分析

表6 不同谷子品種數(shù)量性狀主成分分析

由表6可知，4個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為90.89%，而理論上累計(jì)貢獻(xiàn)率超過85%即可認(rèn)為其具有可靠的數(shù)據(jù)代表性，這說明前4個(gè)主成分可以代表所有指標(biāo)的信息含量。第1主成分對(duì)谷子總遺傳信息的貢獻(xiàn)率最大，為39.73%，其中，單穗質(zhì)量和單穗粒質(zhì)量的特征向量較大，特征向量值分別為0.263，0.262，即第1主成分主要由單穗質(zhì)量和穗粒質(zhì)量組成，可稱為產(chǎn)量構(gòu)成要素因子。第2主成分為長勢(shì)因子，貢獻(xiàn)率為27.34%，其中，株高、穗長、穗柄長具有較高正向特征向量值；第3主成分為生育期因子，貢獻(xiàn)率為14.36%，生育期的特征向量明顯大于其他性狀，特征向量值達(dá)到0.552；第4主成分的貢獻(xiàn)率為9.45%，決定第4主成分大小的主要是水分利用效率因子。

3 討論

旱作農(nóng)田作物生長經(jīng)常遭受嚴(yán)酷的干旱脅迫，產(chǎn)量低而不穩(wěn)現(xiàn)象異常突出，提高作物對(duì)有限降水的利用效率，對(duì)該地區(qū)糧食增產(chǎn)有重要意義。水分利用效率（WUE）指植物消耗單位水量所產(chǎn)出的同化量，反映植物生產(chǎn)過程中的能量轉(zhuǎn)化效率，也是評(píng)價(jià)水分虧缺下植物生長適宜度的綜合指標(biāo)之一[14]。邵立威等[15]對(duì)華北夏玉米產(chǎn)量及水分利用效率的研究表明，選擇高產(chǎn)品種是提高水分利用效率的一個(gè)重要途徑，產(chǎn)量高的品種其水分利用效率也較高，二者存在正相關(guān)關(guān)系。孫宏勇等[16]研究表明，不同品種玉米的WUE存在顯著差異，WUE的差異主要與品種生長特性及遺傳特性相關(guān)，產(chǎn)量高的品種WUE高。李超等[17]研究表明，在適宜的土壤水分條件下，作物耗水量與產(chǎn)量呈線性關(guān)系，即隨耗水量增加，作物產(chǎn)量逐漸提高，但當(dāng)作物產(chǎn)量提高到一定程度后，隨耗水量的進(jìn)一步增加，產(chǎn)量開始逐漸降低。本研究中，耗水量較大的谷子品種晉谷40號(hào)和汾選3號(hào)的產(chǎn)量和水分利用效率也較高，這與邵立威等[15]的研究結(jié)果相似。

張麗英等[18]的研究結(jié)果表明，小麥單株粒質(zhì)量與穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量、收獲指數(shù)和單株生物學(xué)產(chǎn)量均呈極顯著正相關(guān)，與生殖生長期占全生育期比例呈顯著正相關(guān)，與生育期和單株穗數(shù)均呈極顯著負(fù)相關(guān)。楊清華等[19]在對(duì)糜子的研究中得出，糜子產(chǎn)量與生育期、千粒質(zhì)量、主穗長、穗粒質(zhì)量之間具有顯著相關(guān)性，與株高、節(jié)數(shù)之間相關(guān)性不顯著。王歡歡等[20]研究表明，谷子單株籽粒產(chǎn)量與穗質(zhì)量、株高、莖粗呈正相關(guān)，但只與穗質(zhì)量達(dá)到顯著；與穗長呈負(fù)相關(guān)，但相關(guān)性不顯著。本研究結(jié)果表明，谷子產(chǎn)量與單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量、單株生物量、生育期存在顯著正相關(guān)，這與張麗英等[18]研究結(jié)果相近；但谷子產(chǎn)量與株高、穗柄長存在負(fù)相關(guān)，這與王歡歡等[20]研究結(jié)果不一致，可能是由于試驗(yàn)條件和供試材料不同導(dǎo)致的；根據(jù)本試驗(yàn)結(jié)果可以推測(cè)出，過高的株高可能會(huì)導(dǎo)致植株倒伏以及營養(yǎng)生長大于生殖生長而造成減產(chǎn)。

主成分分析可以更好的將多個(gè)性狀歸納為幾個(gè)代表性因子，以反映參試品種的綜合表現(xiàn)。呂建珍等[10]比較18份春播谷子品種（系）的農(nóng)藝性狀，將表現(xiàn)性狀歸納為4個(gè)主成分因子，累計(jì)貢獻(xiàn)率為92.10%；劉斌等[21]將赤谷系列谷子品種的9個(gè)主要農(nóng)藝性狀歸納為4個(gè)主成分因子，累計(jì)貢獻(xiàn)率為88.05%；張霞等[22]將榆林市常規(guī)栽培的10個(gè)谷子品種的表型性狀歸納為3個(gè)主成分因子，累計(jì)貢獻(xiàn)率為78.08%。而本研究中，參試品種農(nóng)藝性狀可歸納為產(chǎn)量構(gòu)成要素因子、長勢(shì)因子、生育期因子、水分利用效率因子，這4個(gè)主成分因子的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到90.89%。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，在谷子引種和選育中首要考慮的因素為單穗質(zhì)量和穗粒質(zhì)量，其次為株高、穗長、水分利用效率、生育期。應(yīng)選擇單穗質(zhì)量和穗粒質(zhì)量較大、株高和穗長適中、水分利用效率較高、生育期長的品種，并注意各性狀之間關(guān)聯(lián)性，強(qiáng)調(diào)主要因素的同時(shí)也要兼顧次要因素；供試不同谷子品種在寧南干旱山區(qū)均能成熟，但不同谷子品種在生物學(xué)特性、農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量、水分利用效率上均表現(xiàn)出較大差異性，綜合比較各品種谷子的各項(xiàng)指標(biāo)得出，大同39號(hào)、汾選3號(hào)、晉谷40號(hào)不僅產(chǎn)量高，而且抗倒伏性強(qiáng)、穗型好、生育期適宜、水分利用效率高，適宜在寧南干旱山區(qū)栽培。